80x86微處理器(一)

80x86微處理器(一)

  • 微處理器是組成微型計算機系統的核心硬件。
  • 微處理器通過與某些其他邏輯電路連接組成主板機系統,形成系統級總線。
  • 許多外部設備經過接口邏輯與系統級總線連接,使主機與外部設備共同組成完整的微機硬件系統。

三級存儲器結構

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微處理器主要技術參數

字長

單位時間內同時處理的二進制數據的位數。

微處理器按字長可分爲:

  • 8位CPU
  • 16位CPU
  • 32位CPU
  • 64位CPU

內部工作頻率

  • 又稱爲內頻或主頻
  • 衡量微處理器速度的重要參數
  • 微處理器內部數字脈衝信號震盪的速度,與實際運算能力沒有直接關係
  • 主頻只能表示微處理器能力的一個方面,而不能代表微處理器的整體性能
  • 內頻的倒數是時鐘週期,是處理器中最小的時間單位,處理器每個動作至少需要一個時鐘週期

PC系列微處理器

平均需要時鐘週期

  • 80x86:12
  • 80286 & 80386:4.5
  • 80486 :2
  • Pentium:1-2
  • Pentium Pro/II/III : <1/3

80系列速度進一步提高,Pentium具有雙指令流水線,Pentium Pro及之後的系列一個週期可以執行3條或者更多的指令。

外部工作頻率

  • 主板爲CPU提供的基準時鐘頻率
  • 早期:內頻=外頻
  • 之後內頻越來越快,從而出現內部倍頻技術。
  • 內頻=外頻x倍頻
  • Pentium時代,微處理器支持多種倍頻,設定微處理器頻率時需要同時設定外頻和倍頻。
  • 目前微處理器內頻:GHz量級

前端總線頻率

  • Front Side Bus: FSB
  • 微處理器和外界交換數據的主要通道
  • 連接主存、顯卡等吞吐率高的部件
  • 前端總線的傳輸能力對計算機整體性能作用很大
  • Pentium IV之前,前端總線頻率與外頻相同
  • 後期前端總線頻率高於外頻

片內Cache容量

  • CPU cache
  • CPU Cache的容量和工作容量對提高計算機的速度起着關鍵的作用

CPU Cache分類

  • L1 Cache : 4-64KB
  • L2 Cache:128KB - 2MB
  • L2 Cache是影響CPU性能的關鍵因素之一
  • 在CPU核心不變的情況下,增加L2 Cache 的容量能使其性能大幅提高

地址總線寬度

  • 決定了微處理器可以訪問的最大物理地址空間
  • 決定了微處理器能夠使用多大的主存
  • Pentium 32 位地址線 最大容量:2^32=4GB

數據總線寬度

  • 決定了微處理器與外部Cache、主存以及I/O設備進行一次信息傳輸的信息量。
  • 32位數據總線每次最多可讀寫32位數據
  • 64位數據總線每次最多可讀寫64位數據
  • 數據總線中讀寫的是主存中的數據
  • 數據總線和地址總線相互獨立,數據總線寬度指明瞭芯片的信息傳輸能力,而地址總線寬度說明了芯片可以訪問多少個主存單元。

工作電壓

  • 微處理器正常工作需要的電壓
  • 微處理器工作電壓隨工藝進步稱下降趨勢
  • 電壓的降低能夠有效降低功耗,但是會提高生產成本

微處理器內部結構

  • 微處理器是組成計算機系統的核心部件。
  • 微處理器具有運算和控制的功能

CPU功能設計思路

基本功能:

  • 進行算數和邏輯運算
  • 具有接收存儲器和I/O接口來的數據的功能
  • 具有發送數據到存儲器和I/O接口的功能
  • 可以暫存少量數據
  • 能對指令進行寄存、譯碼並執行指令所規定的操作
  • 能提供整個系統所需的定時和控制信號
  • 可響應I/O設備發出的中斷請求

程序設計:

  • 賦值和算術表達式
  • 無條件轉移
  • 條件轉移
  • 關係和邏輯表達式
  • 循環
  • 數組和其他數據結構
  • 子程序
  • 輸入/輸出

CPU的內部結構是實現上述功能的執行部件。

CPU內部結構

  • 控制器
  • 寄存器
  • I/O控制邏輯
  • 運算單元(ALU)

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控制器

  • 完成指令的讀取、寄存、譯碼和執行。
  • 程序計數器PC用於保存下一條指令的地址
  • 一般指令是順序存放在存儲器內
  • 程序計數器又叫地址計數器
  • 指令寄存器IR保存從存儲器中讀取的當前要執行的指令
  • 指令譯碼器ID對指令寄存器中的指令擊行譯碼分析
  • 控制邏輯單元根據譯碼分析發出相應的一系列節拍脈衝和電位(控制信號)
  • 狀態字(PSW)寄存器暫存處理器當前的狀態
  • PSW中的各位用來指示諸如算術運算結構的正負、零否、進位和錯位、溢出等標誌
  • 堆棧指示器SP是在對堆棧進行操作時提供地址的
  • 堆棧用於子程序調用時保存返回地址和工作寄存器的內容

I/O控制邏輯

  • CPU中與輸入/輸出操作有關的邏輯
  • 處理輸入/輸出操作

計算機工作過程

計算機的工作過程時不停的取指令和執行指令的過程。

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微處理器外部結構

  • 數量有限的輸入輸出引腳
  • 引腳與其他邏輯部件相連,組成多種型號的微型計算機系統的總線

總線及信號的功能設計

  • 和存儲器之間交換信息
  • 和I/O設備之間交換信息
  • 爲了系統工作而接收和輸出必要的信號(時鐘脈衝、復位信號、電源、接地)

總線分類

  • 數據總線(Data Bus):傳送信息(指令或數據)
  • 地址總線(Address Bus):指示欲傳信息的來源或目的
  • 控制總線(Control Bus):管理總線上的活動
  • CPU通過地址總線輸出地址碼來選擇某一存儲器單元或某一I/O端口的寄存器。
  • 數據總線用於CPU和存儲器或I/O接口之間的傳送數據
  • 控制總線用於傳輸自CPU發出的或送到CPU的控制信息與狀態信息
  • 數據總線的條數決定CPU和存儲器或I/O設備一次能交換數據的位數
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